基于 IEEE 802.15.4 標準的無線多跳網絡的研究與實現

劉光迪，高唯一，易 勇

(1.西華大學 數學與計算機學院，四川 成都 610039;2.成都大學圖書館，四川 成都 610106)

基于 IEEE 802.15.4 標準的無線多跳網絡的研究與實現

劉光迪1，2，高唯一2，易 勇2

(1.西華大學 數學與計算機學院，四川 成都 610039;2.成都大學圖書館，四川 成都 610106)

IEEE 802.15.4標準是針對短距離、低速率、低功耗和低成本設備設計的短距離無線通訊協議，定義了低速無線個域網的MAC層和物理層規范，在分析低速無線個域網規范的基礎上，設計并實現了一個兼容Zig-Bee規范的無線多跳網絡.

IEEE 802.15.4標準;低速無線個人局域網;無線傳感器網絡

0 引言

近年來，隨著傳感器技術、無線通信技術與嵌入式計算技術的不斷進步和日益成熟，眾多具有通信、計算能力的傳感器通過無線方式連接，相互協作，共同完成特定的應用任務，這些微型傳感器構成的無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)引起了人們的極大關注.WSN由部署在監測區域內的大量廉價微型傳感器節點組成，通過無線通信的方式形成一種多跳自組織的網絡系統，能夠實時監測、感知和采集網絡分布區域內的各種環境或監測對象的信息，并對這些信息進行處理，從而獲取詳盡而準確的信息［1－2］.基于 IEEE 802.15.4 標準定義的低速無線個域網(Low-Rate Wireless personal area network，LR-WPAN)標準主要應用于無線傳感器網絡，所以很多研究機構及用戶把它作為無線傳感器的無線通信平臺.對此，本研究通過分析IEEE 802.15.4標準定義的LR-WPAN網的網絡拓撲及形成過程，并在此基礎上，實現了一個無線多跳網絡.

1 IEEE 802.15.4標準及網絡拓撲結構

為了滿足低功耗、低成本的無線網絡要求，美國電氣電子工程師協會(Institute of Electrical and Electronics Engineering，IEEE)于2003年10月發布了IEEE 802.15.4標準.該標準覆蓋了低速率無線個域網(Wireless personal area network，WPAN)的物理層和MAC層.IEEE 802.15.4標準具有復雜度低、實現成本小、設備功耗低等特點，能在低成本設備之間進行低數據率的傳輸，其目標是在無線傳感器網絡、家庭自動化與家庭網絡等領域中應用.

LR-WPAN有2種拓撲結構［3］:星形拓撲結構和對等拓撲結構，分別如圖1，圖2所示.

圖1 星形拓撲結構示意圖

圖2 對等拓撲結構示意圖

在星形拓撲結構中，通信是在設備和一個個域網(Personal Area Network，PAN)協調器之間進行的.PAN協調器是PAN中的控制設備.而端到端的對等拓撲結構同樣需要一個PAN協調器，其不同點是，網絡中的任何設備只要在其他設備的通信范圍內，它們之間就可以直接進行通信，而不必通過協調器中轉.一個對等網絡是一個自組織、自愈合的網絡.在網絡中，任何設備發送的消息經過多跳路由后就可以到達任何其他設備.

2 多跳自組網方案

無線多跳自組織網絡可以分為幾個PAN，每個PAN都有一個PAN協調器以及一組PAN成員［5］.通過PAN，數據包攜帶一個16位PAN標識(短地址由PAN協調器分配，而且只在PAN中有效)，用來指定出數據包的目的地是哪一個PAN.與物理節點相對應，在LR-WPAN中有3種網絡角色:PAN網絡協調器、協調器和設備.協調器的主要功能是建立和啟動網絡這一過程設置參數，其中包括選擇一個射頻信道、惟一的網絡標識符以及一系列操作參數.路由器作為遠程設備之間的中繼器來進行通信，能夠用來拓展網絡的范圍，而終端設備不參與路由選擇.由于路由器和終端設備被整合到網絡中，所以它們從協調器處，或從任何已經處于網絡中的路由器處可以獲得有關網絡的信息.

IEEE 802.15.4的組網過程可以分為4個步驟:協調器建立網絡、節點加入網絡、地址分配和路由選擇［6］.

2.1 協調器建立網絡

首先，對網絡層進行初始化，協調器在初始化之后開始建立網絡;然后，路由和終端設備在發現網絡后請求加入網絡，在加入網絡的過程中進行地址分配.數據發送與接收涉及路由的選擇，發起一個路由之后將對路由算法進行選擇，在這個過程中進行鄰居列表維護、路由表的維護等操作.

2.2 節點加入網絡

在協調器建立好網絡之后，其他設備請求加入該網絡可分為2種情況:路由以協調器或者其他路由、終端設備為父節點.事實上，在加入網絡之前需要有一個發現網絡的過程.當一個設備需要加入網絡時，首先要發現網絡，待加入網絡的設備通過分析接收到的信標幀決定其父節點.這里有2個參考指標:一個是LQI值，另外一個是網絡深度.LQI值越高說明鏈路質量越高、越可靠.在同樣LQI值的情況下，設備優先選擇網絡深度小的作為其父節點.

2.3 地址分配

本研究地址分配采用ZigBee中的地址分配方法，即當NB中的nwkUseTreeAddrAlloc=TRUE時，采用塊地址分配方式.

2.4 路由選擇

樹形路由是最簡單有效的路由方式，但同時帶來的問題是效率比較低.小規模且移動性不高的網絡可以考慮采用這種路由方式.當有數據需要發送時，首先根據公式A＜D＜A+Cskip(d-1)，其中D為目的地址，A為深度為d的路由，如果D滿足該公式，則目的節點為該路由的后代節點，同時判斷目的地址處于哪個sub-block地址塊里，然后發送到該路由器.若不滿足公式，則一直向上發送，直到滿足公式為止.

通過以上的分析可知，節點在組網過程時，PAN網絡協調器最初建立網絡，其他協調器作為子節點加入網絡，在節點加入網絡的過程中，相互通信的一對節點構成父子關系.節點的組網流程如圖3所示.

圖3 節點的組網流程示意圖

3 多跳自組網方案實現

3.1 IEEE 802.15.4協議棧的實現

3.1.1 PAN協調器建立網絡.

網絡層初始化完成后，全功能設備(Full Function Device，FFD)通過主動掃描信道選擇一個合適的PAN標識，并設置屬性macShortAddress為小于oxffff的值，在請求原語 MLME-START.request的指示下，FFD開始建立一個PAN.此時該請求原語中的PAN Coordinator參數為 TRUE，CoordRealignment參數為FALSE.FFD的MAC層接收到請求原語后，把phyCurrentChannel屬性值設置為原語中的邏輯信道，把macPANId屬性值設置為原語中的PAN標識.完成這些操作后，MAC層就通過證實原語MLME-START.confirm向其上層報告建立PAN的結果，此后，該FFD就以一個PAN協調器的身份開始工作.

3.1.2 建立網絡關聯.

一個尚未關聯的設備關聯過程是:首先向一個現存PAN中的協調器發出關聯請求命令，如果協調器正確接收到了關聯請求命令就反饋一個確認幀.協調器發出的關聯請求確認并不是表示設備已經關聯，協調器需要時間判決PAN當前的資源能否允許一個設備關聯，并且在a Response Wait Time個符號周期內做出決定.如果有足夠的資源，協調器就給請求關聯設備分配一個短地址并發出關聯響應命令，關聯響應命令中包含有新地址和標識關聯成功的狀態信息.創建PAN的信息流程如圖4所示.

圖4 創建PAN的信息流程——PAN協調器

3.2 實 驗

本研究在Programmers Notepad集成開發環境中編寫、編譯調試通過程序后，將編譯好的代碼通過仿真器AVR Studio 4寫到節點上，然后通過PC上的網絡管理軟件SNAMP觀測串口傳輸來的信息.

圖5為串口消息示意圖;圖6為SNAMP后臺運行時的傳感數據動態曲線圖.

圖5 串口消息示意圖

圖6 SNAMP后臺運行時的實時傳感數據曲線圖

從圖5串口消息示意圖可以得知，網絡最大深度為Lm，節點最多可容納孩子數為Cm，在哪個信道等待信標請求幀，以及傳感器采集的實時數據等信息.此表明，本實驗在IEEE 802.15.4標準上搭建成功了一個無線多跳網絡.

4 結語

本研究提出了一種基于IEEE 802.15.4協議標準的無線多跳自組織網絡方案，設計了MAC之上的網絡層，并利用GAINZ開發套件快速組建了一個無線個域網，實現了對傳感數據的動態顯示.有理由相信，由于協議的開放性，基于IEEE 802.15.4的無線傳感器網絡作為一種分布式多跳無線通信系統將會被廣泛應用于軍事和民用領域.

［1］潘浩，董齊芬，張貴軍，等.無線傳感器網絡操作系統TinyOS［M］.北京:清華大學出版社，2011.

［2］孫利民，李建中，等.無線傳感器網絡［M］.北京:清華大學出版社，2005.

［3］邱天爽，唐洪，李婷，等.無線傳感器網絡協議與體系結構［M］.北京:電子工業出版社，2007.

［4］歐杰鋒.基于IEEE 802.15.4的無線傳感器網絡組網研究［D］.杭州:浙江大學，2006.

［5］LAN/MAN Standards Committee.IEEE Std 802.15.4TM-2006.IEEE Standard for information technology telecommunications and information exchange between systems local and metropolitan area networks specific requirements part 15.4:wireless medium access control(MAC)and physical layer(PHY)specifications for low-rate wireless personal area networks(WPANs)［M］.New York:IEEE Press，2006.

［6］徐勇軍，安竹林，蔣文豐，等.無線傳感器網絡實驗教程［M］.北京:北京理工大學出版社，2007.

Research and Implementation of Wireless Multi-hop Networks Based on IEEE 802.15.4 Standard

LIU Guangdi1，2，GAO Weiyi2，YI Yong2
(1.School of Mathematics and Computer Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China;2.Library of Chengdu University，Chengdu 610106，China)

IEEE 802.15.4 standard is a short-range wireless communication protocol for short-range，lowspeed，low-power and low-cost devices，which defines the MAC layer and physical layer specifications of the low-rate wireless personal area networks(LR-WPAN).Based on analysis of LR-WPAN specifications，this paper designs and implements a wireless multi-top network compatible with the ZigBee specification.

IEEE 802.15.4 standard;low-rate wireless personal area network;wireless sensor network

TP393

A

1004－5422(2014)01－0041－04

2014－02－10.

劉光迪(1987—)，男，碩士研究生，從事計算機網絡技術研究.